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1、脊髓损伤的间充质干 细胞治疗进展Alexande_heng北京大学 2014年1月14日1 间充质干细胞的治疗前景什么是间充质干细胞？来源于中胚层 最早发现于骨髓 贴壁生长 能够形成CFU 多向分化分化潜能 表达多种干性标志间充质干细胞的特点？能够体外多向分化为成骨细胞、成软骨细胞、脂肪细胞等 能够跨胚层分化为内胚层和外胚层来源细胞（环境依赖性 ） 具有免疫调控作用（依赖于炎症反应） 具有造血支持作用（支持造血干细胞Niche稳态） 具有促进组织再生作用（营养支持） 具有促进肿瘤作用（抑制免疫反应）Nat Rev Immunol, 2008. 8(9): p. 726-36.Science,
2、1999. 284(5411): p. 143-7.2 间充质干细胞的临床应用 免疫调节作用：治疗自身免疫性疾病 组织修复作用，器官再造（目前为体外研究阶段） 治疗各种损伤及退行性疾病：包括n肝硬化n缺血性心肌病n糖尿病n血液系统性疾病n肺纤维化n进行性肌营养不良间充质干细胞临床使用意义3 间充质干细胞的临床应用优势（1）安全：低毒性（或无毒性）； （2）在尚未完全了解疾病发病的确切机理前也能应用； （3）对某些症状，干细胞移植效果明显，一次性植入，作用持久； （4）移植材料来源充足； （5）是最好的免疫治疗和基因治疗载体； （6）治疗范围广阔，理论上能治疗大部分疾病； （7）给那些传统疗法下
3、被认为是“不治之症”的疾病带去了新的疗法和 新的希望。4 间充质干细胞的来源丰富Cell Commun Signal, 2011. 9: p. 12来 源骨 髓脐带脐带 血脐带胎 盘盘分离部位细胞种类造血干细胞 和 间充质干细胞造血干细胞 和 间充质干细胞间充质干细胞细胞数量较少 间充质干细胞增殖 分化能力逐年减弱较少 （30kg患者使用） 不可扩增较多 可扩增丰富 可扩增治疗范围血液、骨骼、神经系统疾病血液类疾病再生医学重要的种子细胞，治疗大多数损伤 性疾病、自身免疫病等。免疫原性高高低血液组织5 不同来源间充质的差异性Disease of the Spinal Cord7脊髓的重要性 运动
4、和感觉传导通路马尾体表节段性支配三根定律感觉皮节三根支配示意图体表节段性感觉分布图脊髓的重要性 脊髓的节段性神经支配脊髓损伤 (Spinal Cord Injury)脊髓损伤(SCI)是脊柱骨折或脱位的严重并发症， 是一种严重的致残性损伤往往造成患者不同程度 的截瘫。不同损伤平面及不同程度脊髓损伤患者的预后 不一。脊髓损伤原因脊髓受到脊柱的良好保护，绝大多数脊髓损伤是由脊柱的损伤引起的（主要是交通事故伤、暴力损伤及和工作有关的损伤）。脊髓损伤根据致病因素不同可分为外伤性脊髓损伤及非外伤性脊髓损伤。脊髓损伤的病理分类脊髓损伤的分类（一）原发性脊髓损伤 脊髓震荡 (concussion of sp
5、inal cord) 脊髓挫裂伤(contusion of spinal cord)（二）继发性脊髓损伤 脊髓水肿 脊髓受压 椎管内出血脊髓损伤的病理转归急性期激发反应 期慢性期急性期：即伤后至最初几天内, 为脊髓及周 围组织包括血管内皮受到初始机械损伤, 坏 死及细胞死亡瞬间发生。受伤几分钟后, 神 经细胞会发生电解质紊乱(细胞内Na+浓度增 加, 细胞外K+浓度增加, 细胞内Ca2+浓度 增加至中毒水平) , 导致神经功能衰竭和脊髓 休克, 并持续约24 h, 决定脊髓损伤的程 度。接着出血和局部水肿发生, 由于血管痉 挛、血栓形成和机械压迫导致微循环障碍, 血管自我调节机制紊乱, 进一步
6、加重脊髓损 伤。脊髓损伤的最佳处理时间是3h 内, 故 临床上来不及给予有效的治疗策略。脊髓损伤的病理转归急性期激发反应 期慢性期继发反应期: 伤后数分钟到数周内, 其主要 机制有细胞继续缺血性死亡、电解质紊乱和 水肿, 在受伤后最初15min 内, 机械损伤致 细胞溶解和突触或非突触间的运输, 出现细 胞外谷氨酸盐及其他刺激性氨基酸浓度急剧 升高, 高于正常水平68 倍,由于谷氨酸盐 受体激活等原因导致脂质过氧化和氧自由基 产生, 一种不同于缺血坏死的继发性细胞程 序性死亡发生, 导致反应性神经胶质过多, 包括神经胶质纤维酸性蛋白增加和星状胶质 细胞增殖。24h内嗜中性粒细胞(分泌髓过氧 化
7、物酶)从外周循环侵袭脊髓实质, 同时48h 内淋巴细胞(分泌不同的细胞因子和生长因 子)浓度达到顶峰。炎性细胞的侵入使局部 细胞因子和趋化性细胞因子的浓度增加。接 着损伤区神经再生的抑制因子和(或)阻断物 质浓度也增加, 导致更大范围的细胞死亡。脊髓损伤的病理转归急性期激发反应 期慢性期慢性期: 发生在受伤后数天至数年, 主要机 制有细胞程序性死亡范围扩大, 一些受体及 离子通道浓度和活性改变, 瘢痕出现(25%发 生率) , 脱髓鞘导致传导功能受损, 囊性变( 约20%发生率), 脊髓空洞区域扩大, 受损区 及附近轴突再生反应(不超过1 mm) , 神经冲 动传导通路改变, 大多数脊髓损伤患
8、者由于 一些细胞兴奋性增高而出现慢性疼痛。病理生理分期决定了只有在继发反应期和慢 性期可给予有效的治疗策略。脊髓损伤的临床表现脊髓休克(spinal shock) 运动和感觉障碍 体温控制障碍 痉挛 排便功能障碍 马尾损伤的临床表现 性功能障碍 不同平面脊髓损伤临床表现脊髓损伤对人类健康的危害损伤在C1C3患者的病死率是截瘫患者的6.6倍, 损 伤在C4、C5 和C6C8 患者的病死率分别是截瘫患 者的2.5和1.5倍 一般来说, 急性脊髓损伤的患者40 例中只有1例在主 要的创伤中心接受治疗。现场和送住院途中的病死率 分别是48. 3% 和79%。急性脊髓损伤住院后的病死 率是4. 4% 1
9、6. 7%脊髓损伤患者一生的治疗康复费用高昂，据国外统计 脊髓损伤患者一生的治疗康复费用平均达75万美元以 上, 美国每年对脊髓损伤患者的花费超过60亿美元死亡率高北京市：2002年SCI 年发病率为60/106，20 世纪80 年代末调查的年发病率6.8 /106 相比，有了惊人的增 长 上海市浦东新区20052007年脊髓损伤 的年发生率 为25/10，较之前报道的上海13.7/106的年发生率显 著升高治疗费用高发病率逐渐增 高脊髓损伤的治疗目标脊髓损伤的病理生理改变理想的治疗目标Mothe, A.J. and C.H. Tator,. J Clin Invest, 2012. 122(
10、11): p. 3824-34.脊髓损伤的诊疗现状虽然对脊髓损伤的分子机制的研究已经相对 深入，其临床治疗依旧比较局限，主要是对症治疗，以激素甲泼尼龙MPS的冲击治疗为主。手术是最彻底的治 疗手段，但是手术时机的选择一直是一个临床难题。目前脊髓损伤治疗主要集中在以下几个方面:(1) 控制继发性损伤, 包括手术减压、激素冲击疗 法、自由基清除等。(2)促进轴突再生, 修复受损的髓鞘。包括细胞移 植、神经生长因子的应用等。(3)解除抑制轴突再生的因素, 包括应用抗轴突生长 抑制因子及基因沉默等技术间接促进轴突的再生。总体来讲，缺乏有效的治疗手段脊髓损伤的理想（探索）治疗模式Silva, N.A.,
11、 et al.,. Prog Neurobiol, 2013.细胞治疗脊髓损伤的细胞治疗前景 干细胞移植治疗脊髓损伤是近年来的研究热点。 由于脊髓损伤后自发性轴突再髓鞘化过程非常有限 ，细胞移植治疗被视为更新少突胶质细胞、促进轴 突再髓鞘化的重要手段。 理论上，移植的干细胞可在损伤部位存活并整合入 宿主组织中，进一步分化为神经元、星形胶质细胞 和少突胶质细胞，大多数可同宿主细胞之间可形成 突触样结构，使中枢神经系统的功能得到一定程度 的恢复。脊髓损伤导致上行和下行脊髓束的轴突中断、神经元和胶质细胞缺损、神经性炎症发 生和脱髓鞘。干细胞治疗通过如下方式，可以实现脊髓损伤的个体化治疗。 第一，移植
12、干细胞来源的脊髓成神经细胞可以替换受损或死亡的运动神经元和其他神 经元。 第二，移植干细胞来源的少突胶质祖细胞可以促进髓鞘再生。 第三，移植能够拮抗有害的炎症反应和分泌促生长因子的干细胞脊髓损伤的干细胞治疗模式Lindvall, O. and Z. J Clin Invest, 2010. 120(1): p. 29-40.目前可用于脊髓损伤治疗的干细胞 胚胎干细胞（embryonic stem cells，ESs） 神经干细胞（neural stem cells，NSCc） 嗅鞘细胞（olfactory ensheathing cells，OECs） 间充质干细胞（mesenchymal s
13、tem cells，MSCs） 雪旺细胞（Schwann cells，SCs）。其中的胚胎干细胞存在伦理问题，神经干细胞、雪 旺细胞和嗅鞘细胞主要局限于试验室水平。间充质干细胞（MSCs），在 治疗脊髓损伤方面有其独特的优点 ： 1. 具有促再生能力；2.具有多向分化潜能，特别是环境 依赖性分化为靶组织细胞的能力 ； 3.来源途径丰富，而提取、分离纯 化和体外扩增却相对简单； 4.免疫原性弱，一般不存在免疫排 斥反应；同时能够抑制炎症反应 5.可进行基因修饰后移植。间充质干细胞治疗脊髓损伤的价值Rice, C.M., et al., Lancet, 2013. 382(9899): p. 12
14、04-13.MSCs 为治疗脊髓损伤展示了一种全新和理想的方法，存在诱导分化为神 经细 胞的潜能并能够向神经干细胞一样在中枢神经组织（脑、脊髓）里 迁移、存活和整合，国外动物实验及临床应用中曾有报道MSCs 移植对脊 髓损伤治疗的有效性及安全性是可靠的。SCI病理生理机制与MSCs的相关性SCI脊髓损伤的病理生理机制 MSC的生物学效应水肿、出血、缺血等引起的血供障碍合成血管内皮生长因子、刺激内生性新血管的 形成和生长 神经元和胶质细胞的死亡(坏死和凋亡）抗凋亡效应：抗凋亡基因和蛋白、半胱氨酸天 冬氨酸蛋白酶等表达上调；分化为神经元表型神经性炎症：细胞性（活化的中性粒细胞、 T细胞、小胶质细胞
15、/巨噬细胞）和体液性（ 细胞因子、白介素、干扰素、前列腺素等）干扰DC细胞的成熟，调节细胞因子的生成和T 细胞的反应，抑制炎症和细胞基质的产生谷氨酸引起兴奋性中毒，ATP再生能力耗损通过调控基因表达，降低神经元谷氨酸受体对 其配体的敏感性 产生活性氧簇，诱导型一氧化氮合酶，溶酶 体，脂质过氧化作用等降低氧化应激：增加NAD(P)H醌氧化还原酶1 和血红素加氧酶-1（HO-1）的活性，下调诱导 型一氧化氮合酶的生成 改变生长因子信号通路促进旁分泌和内源性生长因子的合成，包括 BDNF,NGF,GDNF,IGF-1等 脊髓空洞症：假性饱囊和空洞形成抑制细胞外基质的产生，减少空洞的形成，促 进轴突的
16、再生 脱髓鞘，巨噬细胞和小胶质细胞活化促进髓鞘再生，刺激施旺细胞迁移（至损伤部 位）Forostyak, S., P Biochimie, 2013. 95(12): p. 2257-70.Forostyak, S., P. Jendelova and E. Sykova, Biochimie, 2013. 95(12): p. 2257-70.骨髓MSC治疗慢性阶段SCI，修复了 空洞、重建了轴突，部分恢复了运 动神经元的功能BM-MSC治疗SCI的临床前研究 Himes 等用高流量方法扩增BMSCs 后提纯， 并通过 静脉注射方式将BMSCs 植入脊髓损伤的小鼠体内， 2 周后小鼠的BBB 评分明显提高， 温度觉及行走功 能明显恢复。 董锋等应用大鼠MSCs 静脉注射移植对脊髓损伤SCI 后脑源性神经营养因子、神经生长因子表达的影 响, 结论显示脊髓损伤后损伤脊髓局部的脑源性神 经营养因子、神经生长因子表达增加,这可能是促 进大鼠神经结构及神经功能恢复的因素之一
